（机械电子工程专业论文）汽车变速箱装配测量技术的研究.pdf

汽车变速箱装配测量技术的研究 摘要 本论文介绍了以工控机为核心的某型号变速箱装配线上调整垫片测量机，主要包 括测量机硬件和软件的设计原理、结构以及应用技术，其中的研究重点是测量机的萏 计原理以及结构。 汽车变速器的装配质量是保证汽车性能的一个重要因素，变速器装配过程中的一 个重要问题就是如何控制输入轴总成、输出轴总成以及差速器总成中的轴承的预紧 力。这个预紧力的大小是通过调整垫片的厚度来实现的。传统的选垫方法是手工选垫， 效率低而且准确度不高。本文研究的变速箱调整垫片测量机，就是在这种背景下研匍 出来的变速器装配线的关键检测设备。该设备自动测量变速器总成的轴向间隙并优化 组合调整垫片，通过调整垫片的厚度来调节轴承预紧力，达到工作状态的预紧力矩。 本文首先对变速器的结构进行了介绍，并从分析影响测量准确度的重要因素入 手，分析了影响测量的几个因素，并在此基础上建立了测量系统的尺寸链。接着重点 研究了变速器总成测量机的机械结构设计，测量机机械部分包括上测量系统、惰轮驱 动系统和垫片复测系统。接着简单介绍了变壳测量机。然后通过对测量结果进行数据 分析，验证本测量机的重复精度和测量精度。 关键词：变速器测量惰轮 r e s e a r c ho nt h e k e ym e a s u r e m e n t a n da s s e m b l et e c h n o l o g y f o rt r a n s m i s s i o no fa u t o m o b i l e a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ei n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n ga n dp i c k i n gg a s k e t ，w h i c hi s b a s e do ni p c ，o nap a r t i c u l a rt r a n s m i s s i o na s s e m b l yl i n e i tm a i n l yi n c l u d e st h e d e s i g nt h e s i s ，s t r u c t u r ea n dt h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r e ，t h ek e yr e s e a r c hp o i n t sa r et h et h e s i sa n dt h es t r u c t u r e t h ea s s e m b l eq u a l i t yo ft r a n s m i s s i o na s s e m b l yi s o n eo ft h ei m p o r t a n l e q u a t i o n sf o re n s u r i n gt h ea u t o m o b i l e sc a p a b i l i t y o n eo ft h ei m p o r t a n tq u e s t i o n s i nt h ep r o c e s so ft h et r a n s m i s s i o na s s e m b l yi st h et i g h t e n i n ga tt h eb e a r i n g so ft h e i n p u ta x i sa s s e m b l y , t h eo u t p u ta x i sa s s e m b l ya n dt h ed i f f e r e n t i a la s s e m b l y t h e s i z eo ft h et i g h t e n i n gi sc a r r i e do u tt h r o u g ha d j u s t i n gt h e t h i c k n e s so ft h e c u s h i o n s t h et r a d i t i o n a lc u s h i o n s e l e c t i o nm e t h o di sm a n u a ls e l e c t i o n ，t h e e f f i c i e n c ya n dt h ea c c u r a c ya r eb o t hl o w f o rt h i s ，t h ec u s h i o n - s e l e c t i o nm a c h i n eo f t h i sp a p e rr e s e a r c h e si st h ek e ym e a s u r e m e n tm a c h i n eo ft h et r a n s m i s s i o na s s e m b l y l i n e t h i sm a c h i n ei su s e dt om e a s u r et h ec l e a r a n c eo fg e a ra x i sa n di tc a ng i v et h e e x c e l l e n tc o m b i n a t i o no ft h ec u s h i o n sw h i c hh a sb e e nm e a s u r e d s oi tc a np r o v i d e s t h er e q u i r e dp r e 1 0 a d i n gt h r o u g ha d j u s t i n gt h et h i c k n e s so fc u s h i o n s t h i sp a p e rs t a r t sf r o mt h ea n a l y s i so ft h ei m p o r t a n te l e m e n t st h a ti m p a c t st h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，a n do nt h i sf o u n d a t i o ns e tu pt h ec o r r e s p o n d i n gd i m e n s i o n c h a i no ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m f o l l o w e db y ad e t a i l e dr e s e a r c ho ft h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g no ft h em e a s u r i n gm a c h i n e m a i n l y i n t r o d u c t i o no ft h em e c h a n i c a l d e s i g n o ft h e m e a s u r i n g m a c h i n e ，w h i c hi n c l u d e su p p e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 、t h ei d l e rp u l l e yd r i v e ns y s t e m a n dc u s h i o nr e t e s ts y s t e m a n a l y z e sa n dv a l i d a t e st h er e p e a tm e a s u r e m e n ta c c u r a c y a n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em e a s u r er e s u l t s t h e n p r o b a b l yi n t r o d u c e st h et r a n s m i s s i o ns h e l lm e a s u r e m e n tm a c h i n e k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n ；m e a s u r e ；i d l e rp u l l e y 插图清单 图1 - 1 变速器总成图： 图卜2 输出轴总成图q 图2 - 1 变速器结构图e 图2 - 2 变速器传动示意图 图2 - 3 上下内圈同轴度偏差对测量的影响1 1 图2 - 4 过盈配合引起轴承内圈轴向尺寸变化图1 2 图2 - 5 厚壁圆筒受力示意图1 2 图2 - 6 减速箱装配结构图l e 图2 - 7 减速箱尺寸链图1 e 图2 - 8 轴加工工序简图1 图2 - 9 判断增环、减环的方法1 7 图2 - 1 0 单独零件尺寸链1 8 图2 - 1 l 一般尺寸链1 9 图2 - 1 2 汽车变速器装配尺寸链2 1 图3 - 1 轴承的摩擦力矩和轴向载荷的关系2 4 图3 - 2 轴向变形和轴向载荷的关系2 4 图3 3 垫片厚度测量原理2 5 图3 - 4 总成测量机标定件2 5 图3 - 5 上测量系统结构图2 6 图3 - 6 矩形螺旋弹簧的几何尺寸参数3 1 图3 7 弹簧长度l 与负载p 之间关系3 l 图3 8 惰轮驱动系统3 3 图3 9 垫片复测仪结构图3 7 图3 - 1 0 电气控制系统图3 8 图3 - 1 1 光电隔离原理图4 2 图3 - 1 2 变速器壳体测量机结构图4 4 表3 - i 负载率和负载的运动状态2 8 表4 - i 变速箱测量机测量数据4 5 表4 - 2 测量数据验证4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金目巴王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而往 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：酩厌签字日期：力为铲归，肛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金理兰些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒日巴王些盔堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 违侈承 渺n 【 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：乙叼年y 电话： 邮编： 致谢 感谢母校，我本愚钝，能够有幸在此渡过人生中最美的八年时光，感谢合 肥工业大学给我机会! 感谢恩师，我的论文是在合肥工业大学机械与汽车工程学院林巨广教授的 精心指导下完成。从论文的选题、开题、文章结构的构筑，最后的定稿，都得 到林老师的细心指导与提携。导师严谨治学的作风和诲人不倦的态度将是我一 生学习的楷模。在此谨向我最敬重的林老师致以最诚挚的谢意! 同时也向在我 学习期间给予学业上指导和帮助的谢峰、王淑旺、任永强、杨韶明、何元祥等 各位老师致以最衷心的感谢! 感谢同窗，这里向在我三年硕士学习与生活中给予我支持与帮助的同学致 以衷心的谢意。感谢王金龙、吴磊、俞琪、刘波、徐峰等师兄弟在我论文写作 过程中对我无私的帮助。感谓! 携手共走的同窗好友黄振辉、蔡高坡等，使得我 的求学之路变得充实而又欢愉。感谢0 6 级0 4 班的所有同学，虽然相聚匆匆， 但友谊天长地久。 感谢巨一自动化装备有限公司的领导与同事们，是他们给予我成长的机 会，是他们给予我很多的工作与学习上的支持与帮助。 最后特别感谢我的父母、哥哥以及妹妹，是他们在家境困难的情况下，始 终给予我生活以及学习上的支持。希望妹妹渡过难关，永远幸福。 回首往事，历历在目。老师谆谆教导，同事的真诚关心，同学的热情帮助， 家人的支持，都使我不能忘怀，感谢他们! 作者：连传庆 2 0 0 9 年4 月1 0 日 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 1 1 1 课题的来源 本课题来源于安徽巨一自动化装备有限公司为安徽省某轿车生产企业的某型号 变速箱装配线所研制的变速器垫片测量机的项目，同时也是合肥工业大学汽车装备技 术研究所的研发项目。变速器垫片测量机是汽车变速箱装配流水线上的关键设备，由 硬件部分和软件部分组成。测量机的硬件部分包括机械、电气和气路，软件部分以 w i n d o w s 2 0 0 0 为平台，以c + + b u i l d 为主要开发工具完成界面和控制工作。 1 1 2 课题的意义 汽车工业是“技术密集、资金密集、劳动密集 型产业【，汽车工业的高速发展 不仅代表了技术的发展趋势，而且同时带动诸多相关工业的迅速发展，世界上的发达 以及发展中国家都将其作为支柱产业或主导产业。汽车工业是作为衡量一个国家工业 化水平和科技水准的重要标志，是其他工业所不能比拟的一种独特性产业。我国作为 一个汽车工业的后起国家，提高汽车的国产化率和国产化质量是我国汽车工业今后参 与国际竞争的大前提【2 】。 目前，我国的汽车工业发展十分迅速，尤其是作为中国汽车工业后起之秀的安徽， 正把汽车工业作为其发展的支柱产业。根据安徽省2 0 0 8 2 0 1 5 年汽车工业发展规划， 到2 0 1 0 年，我省将达到2 0 0 万辆汽车的年生产能力，其中整车1 8 0 万辆( 乘用车1 2 0 万辆，商用车6 0 万辆) ，工业总产值将达到1 5 0 0 亿元。到2 0 1 2 年，全省汽车整车达 到2 2 0 万辆的年生产能力，汽车及零部件实现工业总产值2 4 0 0 亿元，力争综合计算 在全国汽车行业的位次上升1 2 位。到2 0 1 5 年，全省汽车整车达到2 8 0 万辆的年生 产能力( 其中乘用车2 0 0 万辆，商用车8 0 万辆) 汽车及汽车零部件实现工业总产值 4 1 0 0 亿元，力争综合计算在全国汽车行业的位次达到前1 0 位【3 】。然而在汽车工业中， 变速器产品的好坏直接影响着汽车的质量。在变速器总装中调整垫片的选择是总装配 线上一个极其重要的工位，其测选垫片正确与否将直接影响到变速器的噪声、使用寿 命等多种质量指标。总装配线上测量工位测量仪的稳定性、可靠性将对整条装配线的 正常运行，以及保证完成每天生产任务都起着关键作用。 汽车运行过程中的平稳及舒适性主要是由汽车的传动系统总成所决定的，为了提 高汽车驾驶的舒适性及平稳性，应该保证汽车传动系统的制造及装配质量。而汽车变 速器总成作为汽车传动系关键部件之一，其装配质量更直接影响到汽车的整体性能， 变速器总成的质量和发展规模已经成为衡量汽车工业发展水平的重要标志。零部件制 造质量和总成装配质量是衡量变速器总成质量的重要因素，所以在变速器装配过程 中，必须控制关键的间隙和扭矩等。在变速器中，输入输出轴以及差速器分总成是变 速器总成的关键部件，因此，选择合适的垫片来控制合适的预紧力矩是整个变速器总 成装配中的重中之重。 传统的变速器垫片的选择都是人工试选，由于靠人工装配选垫，需反复拆装多次， 才能勉强装出，这样，带来装配产品效率极低，易造成损耗，且产品质量不稳定。因 此，如何提高变速器垫片的选择准确度和选垫效率被提上了日程，本课题研究的系列 设备就是适应这样的环境下设计和研发出来的，自投入使用以来，由于其测量操作简 单、方便、可靠，降低了劳动强度，提高了产品质量及生产效率，使得一次选垫合格 率得到提高，在某种程度上提高了汽车变速箱的装配质量。 1 2 汽车变速器及其装配工艺 1 2 1 汽车变速器 现代汽车上广泛采用活塞式内燃机作为动力源，其转矩和转速变化范围较小，而 复杂的使用条件则要求汽车的驱动力和车速能在相当大的范围内变化。为解决这一矛 盾，在传动系统中设置了变速器。它的功用是：1 ) 改变传动比，扩大驱动轮转矩和 转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，如起步、加速、上坡等，同时使发动 机在有利的工况下工作；2 ) 在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒退行驶；3 ) 利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速、并便于变速器换挡或进行动 力输出【4 1 。 按传动比变化方式不同，变速器可分为有级式、无级式和综合式三种，其中尤以 有级式变速器应用最为广泛。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按所用轮系 形式不同，有轴线固定式变速器( 普通齿轮变速器) 和轴线旋转式变速器( 行星齿轮 变速器) 两种。 2 图示为某型号普通齿轮变速器总成图。 456 78 1 离合器壳体总成2 差速器总成3 差速器垫片4 输出轴总成5 输出轴垫片6 输入轴垫片 7 输入轴总成8 变速器壳体总成 图1 1 变速器总成图 1 2 2 变速器总成装配工艺 变速器总成的装配质量直接影响到汽车驾驶的平稳性以及舒适性等。而其中的关 键则是变速器输入输出轴以及差速器总成的装配，而装配的关键就是选择合适的变速 器垫片。垫片选择是否合理直接影响变速器的性能和可靠性，太厚会使轴承烧死，太 薄会造成轴定位不准，从而使齿轮啮合不良，产生噪声，甚至打齿，也会引起脱档现 象以及轴承的早期点蚀【5 l 。为此，在结构上一方面要使输入输出轴有足够的支承刚度， 使其在传动过程中不至于发生较大变形而影响啮合；另一方面应该选择合适的垫片。 为保证结构上有足够的支承刚度，输入轴与差速器壳支承在大端相向的两个圆锥 滚子轴承2 和3 上( 以输出轴为例) ，而两个轴承外圈分别压装在变速器壳体和离合 器壳体上，形成跨置式支承。而输入轴则用两个深沟球轴承支承在变壳和离壳的座孔 中，离壳和变壳通过螺栓连接。 2 3 1 输出轴总成2 、3 圆锥滚子轴承 图1 2 输出轴总成图 装配变速器时，圆锥滚子轴承应有一定的装配预紧度，即在消除轴承间隙的基础 上再给予一定的压紧力，目的是为了减小在齿轮传动过程中产生的轴向力引起的齿轮 轴的轴向位移，以提高轴的支承刚度，保证齿轮能够正常啮合。但预紧力不能过大， 过大则传动效率低而且加速轴承的磨损。如图2 所示，仍以输出轴为例，为调整圆锥 滚子轴承2 和3 的预紧度，在输出轴后轴承3 与变速器壳体之间装有一组厚度不同的 调整垫片5 ( 图1 ) 。如果发现预紧度过大，则适当减小垫片5 的厚度；反之增大垫片 的厚度。 1 3 国内外对变速器装配的研究现状 1 3 1 国外研究情况 近年来，有关变速箱装配线设计的研究工作主要集中在装配线的建模和仿真上， s a l v e s o n 首次对装配线平衡问题发表分析性论述，提出了s a l b p ( s i m p l ea s s e m b l y l i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ) 的线性规划模型；s u p n i k 和s o l i n g e r ，w h i t e 等对装配线的平 衡问题进行过研究：b a y b a r s 、g h o s h 和g a g n o n 分别综述了单模型确定操作时间装配 线问题基于分枝定界法的各种精确算法；e r d a le r e l 和s u b h a s hc s a r i n 综述了装配线 平衡问题的启发式方法；e r d a le r e l 和a r m i ns c h o l l 分别对装配线的平衡问题进行了分 4 类研究；e r d a le r e l 不仅将装配线的平衡问题分为s m d ( s i n g l em o d e ld e t e r m i n i s t i c ) 、 s m s ( s i n g l e m o d e l s t o c h a s t i c ) 、m m d ( m u l t i m i x e d m o d e l d e t e r m i n i s t i c ) 、 m m s ( m u l t i m i x e dm o d e ls t o c h a s t i c ) 四类，而且给出了各类问题对应的求解思路，此科 分类法使用方便。美国的“下一代布局研究委员会”( t h ec o n s o r t i u mo n n e x tg e n e r a t i o r f a c t o r yl a y o u t s ) 是布局问题研究的专门机构。该机构受美国国家科学基金和几个企 业支持，联合明尼苏达州大学、俄亥俄州州立大学、俄亥俄州工学院等三所大学，开 展了装配线布局的研究，其目的是研究新的布局构型和布局设计准则以适应敏捷制造 模式的需要。该机构对动态设备布局、不确定生产环境中的设备布局、柔性布局、分 布式布局、可重构布局及敏捷布局的研究进行了回顾，并指出目前布局设计准则和评 价方法存在着局限性【6 】 7 1 【8 】。 根据资料和网上显示，国外发达国家的汽车生产厂家很早就对汽车变速器相关的 装配工艺进行了研究，对其装配过程中使用的非标专机也有很久的研究和使用历史， 因此保证了他们汽车装配的质量。 在汽车变速器输入输出轴和差速器轴承的预紧及垫片的选择方面，国外主要的研 究方向是：轴承预紧力对旋转的轴的动态和静态特性参数的影响、轴承的预紧方法和 预紧力控制研究和在大批量生产线上预紧力控制器的实现研究等。 由于国外零部件加工质量比较高，国外先进企业精密的加工技术使得他们的产品 加工误差大大的降低，这为以后的变速器装配提供了很好的条件，再加上他们的汽车 行业比国内起步早得多，因此多年积累的工作经验也是国外变速器装配质量远远高于 国内的主要原因。同时，高精度的在线测量设备也是提高装配质量的可靠保证【9 】【1 0 1 i l l 。 世界著名汽车零部件生产企业美国伊顿( e a l n ) 为陕西法斯特齿轮有限公司制造的 变速箱生产线就是很好的代表。 外国在做设备时强调全面考虑，综合解决，它涉及到产品开发设计、生产 工艺、生产管理和零部件制造等各个部门和各个环节。如德国奔驰公司的奔驰 汽车生产线，自动化程度相当高，各个装配工位都采用了先进的现代化技术， 如传感、电子控制，甚至美学都应用其中。这也使得其公司在全世界的竞争力 独占鳌头，撼之不动【1 2 】。日本的汽车业发展很快，所应用的汽车装配线多是基 于机电一体化的装配线。在技术方面，日本经历了从模仿抄袭到独创，从强调 现代化设备到采用最新技术同时也强调人，强调人与机器之间的和谐的转变。 丰田汽车公司是首次采用混流生产方式的企业，其c o r o n a s 生产线上可以生产 4 0 0 0 多种类型的汽车【1 3 】，每种车型的发动机、变速器、车桥等其他部件不同， 这些变化要求工艺设计人员快速按照要求重新调整装配线的作业规划及物料配 送【1 4 j 。 1 3 2 国内研究情况 目前，国内汽车传动系生产企业由于受到传统装配工艺和测控手段限制， 汽车传动系总装质量满足不了高质量汽车的要求，其主要原因在于目前国内企 5 业缺少先进制造技术、测控技术与试验技术的支持n 5 1 。在线测控装备、试验台 及机器人的使用密度远远低于发达国家，成套装备应用更少。而国外先进的汽 车制造企业多拥有汽车传动系的自动化生产线和装配线，装配工艺标准明显高 于国内。这是因为他们广泛采用了测控技术和设备，进行在线测量；对垫片厚 度、轴承预紧力、螺母预紧力、齿侧间隙等能进行现场测量调试；同时大量采 用可控扭矩的螺纹拧紧机，生产自动化程度高，产品的装配精度高、噪声低、 寿命长。 随着我国汽车工业的发展，对汽车传动系质量和数量的要求将不断提高。 同时，随着国内汽车市场的进一步开放，国外汽车及零部件生产商势必大批进 入中国，我国汽车零部件生产企业将面临前所未有的挑战，若不对现有的制造 技术进行改进升级，以保证和稳定高的产品质量，企业将在市场竞争中面临被 淘汰的现实。作为一个快速发展中的大国，如何克服核心科技和重大装备受制 于人的问题，显得越来越迫切。 目前国内针对变速箱装配线的研究重点是装配过程的建模、装配工艺规划 方法以及装配企业的信息化，对装配线的设计研究主要是在单元设备层次上进 行，如对装配机器人、装配工作站的研究等。国内少数研究装配线平衡问题的 文献，也仅仅是在不考虑装配任务优先约束的条件下，应用传统的启发式方法 或基于分枝定界法的方法来进行装配线的负荷平衡研究。 上海交通大学对装配线的研究主要集中在虚拟建模及虚拟仿真方面，通过 仿真研究，分析零件到达时间间隔的均值、各装配工位自动装配机服务的分布 参数和缓冲区大小对装配线性能的影响。南京航空航天大学主要研究装配线的 平衡算法，对任意给定序列的混合品种装配线平衡问题建立数学模型，将平衡 问题进行分类，开发相应的平衡算法。中国科学院沈阳自动化研究所主要研究 装配线的智能化和可重构性，研究基于智能装配单元的可重构装配线制造系统 环境中的产品装配建模方法与装配序列表达机制，分析由产品层次装配模型与 生产线装配工艺齿状结构描述相结合的重构装配线装配序列规划与表达方法 1 8 0 目前国内对变速箱装配线的研究趋势主要为如下几个方面： 一是高柔性。随着社会和市场的发展，汽车需求趋于多样化，企业的生产 也必须满足多种类、中小批量的需求。汽车传动系制造技术及装备，必须具有 高度的柔性以满足多种类产品的需求； 二是高精度、高可靠性。制造与装配工艺是影响汽车传动系总成质量的关 键因素。车辆传动系的制造与测控设备必须具有高精度、高可靠性，以保证汽 车传动系的质量； 6 三是适应性。汽车传动系制造技术正处于飞速发展阶段，项目的研究以适 应我国国情和企业实际为基本出发点，以取得最佳的应用效果，寻求企业经济 效益和社会效益的统一； 四是人机界面的友好化。市场的扩大和企业的整合使企业的生产规模越来 越大，提高装配效率是企业面临的关键问题。通过提高测控设备的人机友好化， 提高工人的操作效率，是提高装配线效率的有效措施n 7 1 。 合肥工业大学汽车装备技术研究所在变速器总成装配和性能检测方面进行了深 入的研究，成功的转化了科研成果并很好的应用于工业生产，特别是在变速器调整垫 片测量机、单轴及多轴拧紧机、压装机等设备的研制和开发上，已经形成了自己的特 色。 1 4 本论文研究的主要内容 变速器中各轴总成轴承的预紧力的大小，对变速器装配的质量有着直接的影响。 根据国内外的资料分析，多数厂家都是在三根轴与变速器壳体之间放置垫片，并通过 调整垫片的厚度来保证其预紧力的大小。传统的选垫方式都是手工选垫，而且是凭经 验来操作，因此效率低下而且经常性返工，大大影响了装配的效率和装配质量，而且 也不符合现代生产制造的理念。 为了提高变速器选垫的准确度，保证变速箱装配的质量，本课题研究的变速箱总 成测量机以及变速器壳体测量机就是基于这样的环境下设计出来的。 本论文首先从影响变速器选垫准确度的参数着手，详细的分析了变速器选垫的影 响因素，在此基础上分析并建立了相应的尺寸链，为设计测量机奠定了理论基础。 接下来详细介绍了测量机的设计思想和测量原理。在测量垫片时采用了相对测量 的原理，两次测量即可达到选垫的目的。 第三章重点介绍机械部分的设计思想，包括变速器总成测量机的上测量系统、惰 轮驱动系统、垫片复测仪的机构设计。 第四章先从实际出发，引用了一组测量数据，并对于垫片补偿值的确定做了详细 的分析，最后通过在实际使用中的情况，验证了本测量机构设计的合理性。 7 第二章变速器的结构与装配尺寸链的分析 由于在下面章节的内容中涉及到变速器的结构，为了更好的引出装配尺寸链的概 念，有必要在这里对这一型号的变速器进行简单的介绍。 2 1 变速器的结构 在传统的发动机前置、后轮驱动的布置形式上，变速器多采用三轴式，即 第一轴、第二轴和中间轴；而在发动机前置、前轮驱动或发动机后置、后轮驱 动的轿车和微、轻型货车上，多采用两轴式变速器，其特点是输入轴和输出轴 平行，无中间轴。本文所述变速器即为此种形式。 变速器的变速原理以图2 1 所示变速器为例来说明，它是具有六个前进挡、 一个倒档的二轴式全同步变速器。 1 11 0 987 图2 - 1 变速器结构图 卜输入轴2 一输入轴一档齿轮3 一隋轮4 一输入轴倒档齿轮5 一输入轴二档齿轮6 一输入 轴三档齿轮7 一输入轴四档齿轮8 一输入轴五档齿轮9 一输入轴六档齿轮1 0 一输出轴1 i 一 输出轴六档齿轮1 2 一输出轴五档齿轮1 3 - 输出轴四档齿轮1 4 一输出轴三档齿轮1 5 一输出 轴二档齿轮1 6 - 惰轮从动轮1 7 - 输出轴一档齿轮 输入轴1 和输出轴l o 平行，输入轴的前端借离合器与发动机曲轴相连，它与输 入轴一档齿轮2 、输入轴倒档齿轮4 和输入轴二档齿轮5 制成一体。它是一根细长轴， 由两个深沟球轴承支承在变速器壳体中，其前端支承在发动机曲轴后端孔内的滚针轴 承上，输入轴上还装有输入轴三档齿轮6 和输入轴四档齿轮7 、输入轴五档齿轮8 和 输入轴六档齿轮9 ，这两对主动齿轮都通过滚针轴承空套在输入轴上，三、四档以及 五六档的花键毂与该轴花键紧配合，这种结构对轴的直线度、轴承处的轴颈和齿轮的 同心度都有很高的要求。输出轴1 0 两端用两个圆锥滚子轴承支承在变速器和离合器 壳体上，输出轴上装有7 个从动齿轮，三、四档从动齿轮1 4 、1 3 和五、六档从动齿 轮1 2 、1 1 以及一、二档花键毂以其内花键与输出轴上的外花键紧配合。一、二档从 动齿轮1 7 、1 5 则通过滚针轴承空套在输出轴上，惰轮从动轮1 6 则比较特殊，其与一、 二档花键毂做成一体，通过拨叉拨动惰轮3 驱动从动轮实现倒档。 6789 图2 2 变速器传动示意图 ( 图注同图2 1 ) 图2 2 为变速器的传动示意图。当处于空挡位置时，输入轴转动将带动该轴上的 齿轮2 、4 、5 转动，在输出轴上相应的常啮合齿轮1 7 、1 6 、1 5 在轴上空转，由于三、 四档和五、六档主动齿轮空套在输入轴上，因此三、四档和五、六档的主从动齿轮都 不转动，这时的输出轴并不转动。当移动某一个档位的接合套与空套在轴上的该档位 齿轮的齿圈相结合时，则通过该档齿轮副将动力传给输出轴使之转动，即我们通常意 义上的挂上这一档位。在该变速器中，各档位均采用同步器换挡。同步器是一种加装 了一套同步装置的接合套换挡机构，它的作用是使变速器在汽车行进中换挡时不发生 接合齿的冲击。 欲挂上一档，可操纵变速杆，通过拨叉使接合套16 ( 惰轮从动轮与接合套一体) 下移，与一档同步器锁环的接合齿圈和一档齿轮接合齿圈接合后，动力便可从输入轴 依次经齿轮2 、1 7 ，接合套以及花键毂传给输出轴1 0 输出，第一档指的是传动比最大 9 的前进挡。欲脱开一档，可通过拨叉使接合套上移，与接合齿圈脱离啮合，则变速器 退回空挡位置。 同理可得到二到六档，其中因为五档以及六档的传动比小于1 ，故称为超速档。 超速档主要用于在良好路面上轻载或空车驾驶的场合，借此提高汽车的燃油经济性。 但如果发动机功率不高，则超速档使用率很低，节油效果不显著，甚至影响汽车的动 力性。一般来说，超速档的传动比为o 7 o 8 5 。 为实现汽车的倒退行驶，在输入轴的一侧还设置了一根较短的倒档轴( 图中按惯 例采用展开画法，将倒档轴画在输出轴的下方) 。倒档轴的两端支承在变速器壳体和 离合器壳体上，用倒档轴锁片锁止，防止其转动和轴向移动。惰轮3 空套在该轴上， 通过拨叉机构可使倒档齿轮4 、惰轮3 以及惰轮从动轮1 6 相啮合。而由于增加了一个 惰轮，故输出轴的旋转方向与输入轴相反，汽车便能够倒退行驶了。一般来说，倒档 的传动比都较大，与一档传动比相近，这是考虑到安全，希望倒车时速度尽可能低些。 前己述及，汽车变速器能够扩大驱动力和车速的变化范围，以适应经常变化的行 驶条件，变速器总成的装配质量直接影响汽车的运行平稳性、寿命和能耗。垫片测量 机是变速器装配线上的关键设备之一。 精确的间隙测量是保证垫片和变速器总成合格装配的必要而非充分条件，即使对 上下圆锥滚子轴承内圈的间隙进行了相当精确的测量，由于国内厂家的垫片质量存在 很大的问题，比如平面度、毛刺等；除此之外，国内厂家的变速器总成中所选的垫片 数量也是一个不可忽略的因素呻】。由于这些因素的存在，使得即使对上下圆锥滚子轴 承内圈的间隙进行了精确的测量，所选择出来的垫片组合也可能不满足变速器总成所 需要的装配预紧力。为了提高测量机的工作效率和测量精确度，有必要对影响测量准 确度的关键参数进行分析研究。 2 2 选垫和装配合格的充要条件 通过前面的叙述我们可以知道，精确的间隙测量是保证垫片和变速器总成 装配合格的必要条件：那么，究竟其充分必要条件是什么? 我们通过对圆锥滚 子轴承的简化受力分析来建立模型。 在实际装配过程中，客户提供的轴承预紧力矩在1 5 2 n m ，其相应的轴向 载荷的变化范围为l7 5 1 9 5 n 。螺母的拧紧力矩产生的轴向力主要分配在以下几 个部分：轴承内、外圈和圆锥滚子受到的压力、垫片受到的压力以及由过盈产 生的轴向阻力。测量出来的垫片厚度补偿值正是由于施加了正压力后引起轴承 内外圈和圆锥滚子的变形量。我们需要控制的是圆锥滚子轴承的预紧力矩，即 1 5 1 2 n m 这个数值。由此我们得出满足轴承预紧工艺条件的力的关系为：轴承 轴向力= 螺母预紧力一垫片承受的力一轴与轴承过盈量产生的阻力。这个力的范围 大概为2 7 0 4 4 5 n 。 因此，为了消除各种因素对最终装配的影响，必须在测量数据的基础上， 通过补偿值方法对测量数据进行合理修正，这也是选垫和装配合格的充要条件。 1 0 2 3 影响测量准确度的参数分析 本节将从测量时的上下内圈同轴度、模拟正压力、输出轴( 以输出轴为例) 与上下轴承内圈的配合过盈量和测量时轴承的润滑情况等几个方面分析影响垫 片预选机测量准确度的因素。 2 3 1 上下内圈同轴度对测量准确度的影响 在装配过程中，上下圆锥滚子轴承内圈的同轴度如果存在偏差，如图2 3 所示，使得上轴承内外圈变为不对称的单边接触。在变壳与离壳螺母锁紧的时 候，会在上圆锥滚子轴承内圈的上表面产生一个正压力，这个正压力驱动上滚 子轴承内圈不断下降，有和外圈逐渐分离的趋势，从而会在输出轴上产生使其 变形的径向力，而下圆锥滚子轴承内圈对锥齿轮轴的径向力可以相互抵消，这 样，变速器输出轴在径向上的力是不平衡的。输出轴在长期受到径向剪切力的 作用下很容易产生疲劳变形，最终被破坏。这也是很多变速箱稳定性差的根源 之一。 这种上下内圈的同轴度偏差在测量过程中，表现出来的结果为实际需要垫 片的厚度大于测量的间隙值，轴承外圈的倾斜角越大，这种误差越明显。而测 量选择出来的垫片在装配后，显示的预紧力矩值不稳定，呈现周期性的变化。 7 冷 o l o k夕 图2 - 3 上下内圈同轴度偏差对测量的影响 若要消除同轴度误差对测量选垫带来的不利影响，唯一的方法就是保证变 速箱的加工精度，使其同轴度误差尽可能的减少到最低。 2 3 2 模拟正压力对测量准确度的影响 测量时，用于模拟由连接螺栓拧紧力矩引起的输入输出轴轴向力的模拟正 压力，是影响垫片准确度的一个重要因素之一n 引。 模拟正压力是保证轴承滚子与内外圈良好贴合的必要条件，太小则难以保 证轴承滚子与内外圈的良好贴合；太大则易给测量机系统和被测量的零部件带 来损伤与破坏。而且，压力过大或者过小都不能很好地模拟实际装配后由于锁 盟四 紧螺母拧紧导致的、作用于圆锥滚子轴承正压力，带来额外误差。所以，测量 时施加的模拟轴向力的大小必须控制在某一合理范围。 2 3 3 轴与上下轴承内圈过盈量对测量准确度的影响 输出轴和圆锥滚子轴承之间的配合是过盈配合，所以当轴承内圈装配到输 出轴上时，会受到径向力的作用而使轴承内圈产生变形，半径增大；同时会使 轴向尺寸变小。变形关系如图2 - 2 所示啪】。实线表示变形前的轴承内圈形状， 虚线表示变形后轴承内圈形状。这样的变形虽然微乎其微，但是可以很大程度 上影响到垫片测量的准确度，从而影响到变速器总成的预紧力的大小。 图2 - 4 过盈配合引起轴承内圈轴向尺寸变化图 轴承内圈和输出轴的过盈配合问题、可以简化为材料力学中关于厚壁圆筒 的计算方法处理 2 1 o 厚壁圆筒的壁厚和圆筒直径的大小在同一数量级。图2 - 3 表示一厚壁圆筒的受力示意图，p 。和p ：分别表示它所受的内压力和外压力，a 和b 表示它的内径和外径。 图2 - 5 厚壁圆筒受力示意图 根据材料力学的计算公式可知，厚壁圆筒内某一点的径向位移为： 1 2 “：一1 - 1 2 尘埤坐一a 2 b 2 ；( p t - ；p ：) ! ( 2 - 1 )eb 2 一口2e b 2 一口2 ， ，：! 型旦竺一b z 昱。1 + a 2 b 2 ( 弓一昱) 1 薹1 。薹aa b 薹1 。a 藉b i 浯2 ， 一j 只一2 只+ 2 f 只一只) 7 ：= 二二j i j l 二_ ：! 业 2 警镨半箐 、 ：生一a 2 b p l - b 3 1 + a 2 b ( p l 一罡) “驯 -=-上-二一=二 根据厚壁圆筒变形前后体积不变的原则，可以得到厚壁圆筒变形前体积： = 万( b 2 a 2 ) h 2 万 ( b + u 外) 2 一( a + u 内) 2 】( h - b h ) 。 幼2 1 一而万0 - - 虿2 1 耵1 小( 2 - 4 ) 对于输出轴与圆锥滚子这一配合，内压力p 1 是由于输出轴与轴承内圈的过 耻硒高囊翮巧协训+ 击( 舞叫i ( 2 - 5 ) 求出；尼就是变速箱总成连接螺栓拧紧至规定扭矩时，输出轴上产生的轴承预 紧力。 以省内某变速箱厂的q r 5 1 5 的圆锥滚子轴承与输出轴的配合为巾5 5 ( h 7 n 6 ) 为例，圆锥滚子轴承的锥角= 2 6 。，内径d - - - 5 5 r a m ，外径q = 8 0 r a m ，轴与轴 承内圈是精磨而成的，查表可知，最大过盈量8 ，。=，最小过盈量m4 8 h m 氏。= 1 4 h m n 2 1 ，把上述条件代入式( 2 - 4 ) 和( 2 - 5 ) 计算，同时近似地取外径为轴 承内圈大、小端面外径的平均值，可以得出：h m 。= 3 0 2 m ，a h m 抽= 5 7 2 m 。 这是单个圆锥滚子轴承的轴向变形量，对于输出轴总成的一对圆锥滚子轴 承，轴向变形量约为上述值的两倍，即最大值达到6 0um ，最小也有1 1 4l - li l l 。 由于10um 就足以对选垫结果产生影响，所以，从上述计算结果看，轴承 内圈与输出轴的过盈配合对测量准确度的影响很大。 2 3 4 轴承润滑情况对测量准确度的影响 两个相互接触的表面发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触表面 产生的阻止相对运动或者相对运动趋势的现象称为摩擦，阻止相对运动或相对 运动趋势的力称为摩擦力。摩擦的分类很多，按照摩擦副的润滑状态可分为以 下几种：( 1 ) 干摩擦：两接触面无任何润滑介质存在时的摩擦；( 2 ) 流体摩擦： 两接触表面被一层连续不断的流体润滑膜完全隔开时的摩擦；( 3 ) 边界摩擦： 两接触表面上有一层极薄的边界膜( 吸附膜或反应膜) 存在时的摩擦；( 4 ) 混 合摩擦：两接触表面同时存在流体摩擦、边界摩擦和干摩擦状态时的摩擦，混 合摩擦一般是以半干摩擦和半流体摩擦的形式出现，两接触表面同时存在干摩 擦和边界摩擦的混合摩擦叫半干摩擦，两接触表面同时存在边界摩擦和流体摩 擦的混合摩擦称为半流体摩擦。 轴承内圆锥滚子不同的润滑情况对测量的准确度也是有很大影响的乜引。比 如干摩擦、半干摩擦和良好润滑等情况。润滑的情况决定了轴承旋转时的平稳 情况。 如果是干摩擦，则轴承的旋转震动较大，从而影响测量准确度；从振动的 理论来说，应该保证测量机在测量时滚子有良好的润滑，但是由于其测量系统 都是暴露在空气中，如果润滑油过多，会污染传感器等元器件，并且给操作带 来不便。通常借助轴承上的防锈油就足以保证圆锥滚子的润滑，减小了轴承旋 转时的振动，而且大大降低了操作过程和对元器件的污染。因此，圆锥滚子的 润滑采用半干式的润滑。 2 4 尺寸链原理及应用 尺寸链理论是机械装配理论的基础、核心和源泉，装配过程中如何正确的 测量和校正各零部件的位置精度，如何正确的安排装配工艺等都有赖于正确的 建立和应用装配尺寸链，搞清楚公差、尺寸链设计理论的来龙去脉可以有效地 指导整个汽车变速器的装配。 1 4 2 4 1 尺寸链的基本概念 在汽车及机械产品设计、制造的过程中，普遍存在尺寸链的问题，尺寸链 理论最初是在机器组装过程中发展而形